842 水力驅動帶狀噴灌機動力配置方案分析研究

842 水力驅動帶狀噴灌機動力配置方案分析研究,水力,驅動,帶狀,噴灌,機動力,配置,方案,分析研究 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)論文- 1 -1 引言1.1 我國水資源的分布情況水是農業(yè)發(fā)展的根基，干旱會嚴重制約農業(yè)的發(fā)展，導致糧食減產。而我國的水資源并不豐富，尤其是北方地區(qū)，干旱比較嚴重。據有關資料表明：我國多年平均降水量達 6.19 萬億 m3，多年平均水資源總量約 2.8 萬億 m3，地下水資源 0.82 萬億 m3，兩者重復量為 0.73 萬億 m3。我國的水資源總量雖在世界各國中排名第六，但人均占有量不足 2330 m3／年，只相當于世界人均占有量的 22％，位居世界第 88 位；每公頃占有量僅為 21600 m3／年，是世界平均值的 50％，總體上屬于水資源不豐富的國家。 [1]我國的水資源不僅不豐富，而且時空分布極不均勻。按照我國降水量多少的情況，可以把全國分為以下五個大區(qū)。1) 多水區(qū)：年降水量大于 1600mm 的地區(qū)。大致分布在我國東部沿海、華南沿海、云南的西部、西藏的東南部、臺灣的中部一帶。2) 濕潤區(qū)：年降水量在 800～1600mm 之間的地區(qū)。大致包括秦嶺、淮河以南，長江中、下游，云、貴、川和廣西自治區(qū)一帶。3) 半濕潤區(qū)：年降水量在 400～800mm 之間的地區(qū)。包括黃、淮、海平原地區(qū)，陜西、山西和我國東北的大部，四川西部、西藏的東部地區(qū)。4) 半干旱區(qū)：年降水量在 200～400mm 之間的地區(qū)。包括我國東北的西部地區(qū)，內蒙、寧夏、甘肅和的西北部地區(qū)。5) 干旱區(qū)：年降水量在 200mm 以下的地區(qū)。包括內蒙、寧夏、甘肅的沙漠，青海的柴達木盆地，的塔里木、準噶爾盆地等地區(qū)。我國降水量分布的總趨勢，是由東南沿海向西北內陸遞減的。與我國耕地的分布狀況很不一致，形成了南方水多地少的水土資源組合很不協(xié)調的格局。例如：長江以南地區(qū)，耕地面積僅占全國耕地面積的 36％，而其河川徑流量占全國總徑流的 83％；淮河及其以北地區(qū)，耕地面積占全國的 64％，而其河川徑流量僅占全國總徑流的17％。其中黃、淮、海、遼四個流域內的耕地面積占全國的 40％，但其河川徑流量僅占全 國總徑流的 7％。降水和徑流的地區(qū)分布不均勻性，尤其是水、土資源的組合很不協(xié)調、很不平衡，也是我國水資源的自然特點之一。 蘇亞冰: 水力驅動帶狀噴灌機動力配置方案分析研究- 2 -我國的水資源分布和人口的分布也不一致，人均和每公頃年占有的水資源量相差很大。每公頃年水量和人均年水量都以海河流域為最低；每公頃年水量以浙、閩片為最高；人均年水量以珠江流域為最高。從每公頃年水量來看，海河流域同浙、閩片相比，相差達 22.7 倍；從人均水量來看，海河流域同珠江流域相比，相差達到 12.9 倍 [2]。所以，水資源量的每公頃分配和人均分配的地區(qū)差別很大，是我國水資源的又一自然特點。因此發(fā)展節(jié)水灌溉對我國非常重要。1.2 我國節(jié)水灌溉的發(fā)展狀況新中國成立以來，我國在節(jié)水灌溉技術的研究推廣、節(jié)水灌溉設備的開發(fā)生產、節(jié)水示范工程的建設、節(jié)水灌溉服務體系的建立等方面做了大量的工作，取得了較為顯著的成績。20 世紀 60 年代開始進行節(jié)水灌溉技術試驗研究；20 世紀 70 年代大面積推廣應用渠道防滲、畦田改造；20 世紀 80 年代大面積推廣低壓管道輸水并大范圍進行噴灌、滴灌、微噴等先進節(jié)水灌溉技術的試點示范；20 世紀 90 年代節(jié)水灌溉全面推廣普及，節(jié)水灌溉技術水平越來越先進，工程標準越來越高，推廣范圍越來越廣。到1998 年底，全國共建成各類節(jié)水灌溉工程的總面積達 0.152 億 hm2，其中噴灌、滴灌和微噴面積 173.3 萬 hm2，管道輸水灌溉面積 520 萬 hm2，渠道防滲面積 826.7 萬 hm2。此外，還有水稻節(jié)水灌溉和坐水種等非工程面積 0.133 多億 hm2，在多年的實踐探索中，各地摸索總結出了一套適合各自特色的節(jié)水灌溉技術與方法。包括各種渠道防滲和管道輸水技術；適合小麥、玉米等大田使用的管式、卷盤式、時針式移動噴灌以及常規(guī)的土地平整溝畦灌；適合棉花、蔬菜和果樹等經濟作物使用的滴灌、微噴灌、膜下滴灌、自壓滴灌、滲灌等技術；南方水田的控制灌溉技術和園田化建設；西北干旱、半干旱地區(qū)的雨水集流、窖水滴灌技術；東北、西北等干旱地區(qū)的“坐水種” 、 “旱地龍” 、保水劑等抗旱措施。節(jié)水灌溉在全國迅速推廣普及，取得了顯著的經濟效益和社會效益?！熬盼濉逼陂g是我國節(jié)水灌溉發(fā)展最迅速、最富有成效的時期。 “九五”期間，國家加大了資金投入，全國用于發(fā)展節(jié)水灌溉的資金約 430 億元。投入的加大，促進了節(jié)水灌溉的發(fā)展。在此期間，國家有關部門組織實施了 300 個節(jié)水增產重點縣和節(jié)水型井灌區(qū)建設以及 12 個節(jié)水灌溉示范市建設，對全國 402 個大型灌區(qū)中的 208 個進行以節(jié)水為中心的續(xù)建配套和技術改造，興建了 668 個國家級節(jié)水增效示范區(qū)。在眾多山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)論文- 3 -示范項目的帶動下， “九五”期間全國新增節(jié)水灌溉工程面積 766.67 萬 hm2 (1.15 億畝)，其中：噴、微灌面積 159 萬 hm2，渠道防滲灌溉面積 423 萬 hm2，管道輸水灌溉面積 184．4 萬 hm2。到 2000 年底，全國節(jié)水灌溉工程面積累計達到 1667 萬 hm2 (2.5 億畝)，占全國有效灌溉面積(8.25 億畝)的 30％。此外，與工程措施配合的各種形式的非工程節(jié)水措施面積已達 0.167 億 hm2，其中“薄、淺、濕、曬”水稻控制灌溉面積 0.08 億 hm2，行走式抗旱節(jié)水播種、坐水種等0.087 億 hm2。節(jié)水灌溉的普及，取得了顯著的節(jié)水效果，用水效率大幅度提高，抗旱能力大大增強，為我國糧食生產做出了貢獻。1995 年，全國糧食產量是 4665 億 kg，到 1998 年，生產能力增長到 5000 億 kg，凈增 335 億 kg。2000 年，農村水利突出節(jié)水灌溉工程及經濟發(fā)達地區(qū)的農村水利現代化試點示范工程建設等。大型灌區(qū)以節(jié)水為中心進行續(xù)建配套節(jié)水改造，推廣噴滴灌等先進技術與改進傳統(tǒng)地面灌水方法相結合。農田水利建設進一步加強，有效灌溉面積有所擴大，全年新增 132.5 萬 hm2，累計達到 5500 萬hm2(8.25 億畝)。節(jié)水灌溉面積新增 133.3 萬 hm2，累計達到 1667 萬 hm2 (2.5 億畝)。灌溉事業(yè)的發(fā)展，為農業(yè)增產創(chuàng)造了條件。1.3 噴灌的技術特點噴灌是利用水泵加壓或自然落差將水通過壓力管道送到田間，經噴頭噴射到空中，形成細小的水滴，均勻噴灑在土壤上，為作物正常生長提供必要水分條件的一種先進灌水方法。噴灌技術與傳統(tǒng)的地面灌溉相比，噴灌灌水均勻、節(jié)水、增產、省力、節(jié)地、適應性強，同時還可以調節(jié)田間小氣候、防止干熱風和霜凍對作物的傷害，可廣泛地應用于除水稻外的大田作物以及果樹等。噴灌有多種形式，不同的噴灌形式適應不同的場合，發(fā)展噴灌要因地制宜，才能充分發(fā)揮其節(jié)水和增產效果。噴灌是壓力水流通過管道送到田間，經噴頭噴射到空中，形成細小的水滴，均勻噴灑在農田上，為作物正常生長提供必要水分條件，在合理布置噴灑點的位置的情況下，能使田塊內各處土壤濕潤深度及土壤含水量大體相近。與傳統(tǒng)的地面灌水方法相比，噴灌具有明顯的特點。(一)噴灌技術的優(yōu)點1) 節(jié)水效果顯著蘇亞冰: 水力驅動帶狀噴灌機動力配置方案分析研究- 4 -噴灌通常采用管道灌輸水、配水，輸水損失很小，噴灌可以根據作物需水的狀況，適時適量地灌水，一般不產生深層滲漏和地面徑流，水的有效利用率可達 80％以上。噴灌與地面灌溉相比，比明渠輸水灌溉省水 30％～50％。在透水性強、保水能力差的土地，省水可達 70％以上。噴灌是利用噴頭直接將水比較均勻地噴灑到作物面上的，能夠很好地控制噴水強度、灌水量和灌水均勻度。噴水后地面濕潤比較均勻，通常灌水均勻度可達 80％～85％。2) 提高農作物產量和產品品質由于噴灌能嚴格控制土壤水分、保持肥力，噴灌對增加農作物產量的作用是多方面的。首先，噴灌可以控制噴灑時間或噴灑速度，適時適量地滿足農作物對水分的要求，這對于精細控制土壤水分，保持土壤肥力，保護土地表層的團粒結構，促進作物根系在淺層發(fā)育，以充分利用土壤表層養(yǎng)分以及適應換茬時，兩種作物對水分的不同要求極為有利。噴灌時灌溉水像降雨一樣濕潤土壤，不破壞土壤結構，為作物根系生長創(chuàng)造了良好的土壤、水分環(huán)境；可以根據供水條件和作物需水的規(guī)律進行精確供水。噴灌還可以調節(jié)田間小氣候，增加近地層空氣濕度，調節(jié)溫度和晝夜溫差，避免干熱風、霜凍對作物的危害，可顯著提高水果、蔬菜、茶葉、煙草等經濟作物的品質。在高溫季節(jié)可以起到降溫的作用，并能沖掉作物莖葉上的塵土，有利于作物的呼吸和光合作用，有效地改善了農業(yè)生態(tài)環(huán)境，有明顯的增產效果。與傳統(tǒng)地面灌溉相比，采用噴灌的糧食作物增產 10％～20%，經濟作物增產 20％～30％，果樹增產10％～20％，蔬菜增產 1～2 倍。3) 提高耕地利用率噴灌可以大大減少田間內部溝渠、田埂的占地，增加了實際播種面積，可提高耕地利用率 7％～15％。這對于單產較高的小麥等條播作物進一步提高產量效果十分明顯。4) 對地形的適應性強，可避免土壤鹽堿化噴灌可用于各種類型的土壤和作物，受地形條件的限制小。例如，在砂土地或地形坡度較大、高低起伏不平的地面也可以采用噴灌。在地下水位高的地區(qū)，地面灌溉使土壤層過濕，易引起土壤鹽堿化，用噴灌來調節(jié)上層土壤的水分狀況，可避免過量灌溉造成的鹽堿化。由于噴灌對地形的適應性強，可以大大減少對田間渠系建設及管理維護，節(jié)省大量農田地面平整的工程量。山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)論文- 5 -5) 噴灌設備品種齊全，能滿足各方面的需要噴灌系統(tǒng)裝備組成及其可移動程度分為固定式、半固定式、移動式、定點噴灑機組及行走噴灑機組幾種。固定式噴灌系統(tǒng)除噴頭外，其他設備固定不動。其特點是使用方便，但用材量及投資大，豎管對機械田間作業(yè)有影響；半固定式噴灌系統(tǒng)噴頭、支管可以移動，其他部分固定，其特點是工程占地少，用料及投資較省，但作業(yè)時易損害莊稼，操作費事，此噴灌系統(tǒng)由于適應我國經濟發(fā)展水平和農業(yè)經營方式，因而在噴灌面積中所占比例最大；移動式噴灌系統(tǒng)其設備都可移動，其特點為用材少、投資省、使用靈活、占地少，但勞動強度大、易損壞莊稼，此種系統(tǒng)在部分平原地區(qū)噴灌工程中占相當比例；定點噴灑機組工作時，沿給水點定點噴灑，其特點為用材和投資少，便于綜合利用，但機組移動困難，工程占地較多，噴灑質量不夠理想，此機組在山區(qū)、水田地區(qū)使用較多；行走噴灑機組可自行行走，在走中噴灑，其作業(yè)質量好，生產效率高，但結構復雜，投資較多，要求地塊必須規(guī)整，且坡度不能太大，主要用于有一定規(guī)模的農場。而小型行走式噴灌機組具有體積小，質量輕，攜帶方便的特點，適合我國目前一家一戶的灌溉需要。6) 噴灌可節(jié)省勞動力噴灌能在世界范圍內得以迅速發(fā)展的原因之一，是為了提高農業(yè)勞動生產率。我國農業(yè)經營正在向集約化、規(guī)?；较虬l(fā)展，同樣面臨著提高農業(yè)勞動生產率的問題。噴灌系統(tǒng)的機械化程度高，可以大大降低灌水勞動強度，提高作業(yè)效率，免去年年修筑田埂和田間溝渠的重復勞動，節(jié)省大量的勞動力。各種噴灌機組可以提高工效20～30 倍。7) 噴灌適合于大面積灌溉、農業(yè)機械耕作技術集成的配套與實施噴灌是實現農業(yè)現代化不可缺少的節(jié)水灌溉技術。(二)噴灌技術的缺點1) 抗風能力差在進行噴灌作業(yè)時，噴出的水滴受風力的影響，會改變水舌的形狀和噴射距離，使小水滴沿著風向飄落，改變了各方向的射程和水量分布，出現噴灑不均勻和漏噴等現象。為滿足灌溉的需要，只有增加灌水量。因此，通常在 3～4 級以上風力時應停止噴灌。2) 蒸發(fā)損失大蘇亞冰: 水力驅動帶狀噴灌機動力配置方案分析研究- 6 -由于水噴灑到空中，比地面灌溉時的蒸發(fā)量大。尤其在干旱季節(jié)，空氣相對濕度較低，蒸發(fā)更大，在水滴降落到地面之前，將會蒸發(fā)掉 10％。因此，為避免蒸發(fā)對水資源造成的浪費，可以改在夜間進行噴灌。3) 消耗能源地面灌溉只要將水通過渠道或管道送到地頭即可實現自流灌，噴灌則要利用水的壓力，使水流破碎成水滴，噴灑到規(guī)定范圍內。對于行走式噴灌機，還需要有一定的動力進行牽引，這些都需要多消耗一部分能源。4) 可能出現土壤底層濕潤不足的問題在噴灌強度過大，土壤入滲能力低的情況下，會出現土壤表層很濕潤而底層濕潤不足的問題。采用低強度噴灌，使噴灌強度低于土壤入滲速度，并延長噴灌時間，可使灌溉水分滲入到下層土壤，且不產生地面積水和徑流。此外，由于噴灌系統(tǒng)的工作壓力較高，對其配套的基礎設施也有較高的耐壓要求，這就使得基礎設施的投資比較大。如固定管道式噴灌系統(tǒng) 13500～18000 元／hm 2；半固定管道式噴灌系統(tǒng) 4500～6750 元／hm 2；卷盤式噴灌機約 4500 元／hm 2；大型機組約6000／hm 2。這也是當前制約噴灌發(fā)展的主要因素之一。經過多方面的調查研究,綜合考慮各種因素，針對干旱地區(qū)缺水情況,研制開發(fā)了水力驅動帶狀噴灌機，它是利用噴灌技術和機械制造技術，從農業(yè)生產的實際出發(fā)，進行設計制造的。它基本上能適應我們國家農村一家一戶的需求，它比傳統(tǒng)的圓形噴頭在性能上更加完善,圓形噴頭全圓周式噴灑，噴灌以后，噴頭周圍土壤全部濕潤，噴頭難以移動，且噴灌不均勻、耗水量大、對作物的打擊力大；其次圓形噴頭在實際使用中，經濟投入大，農民支付困難，農村難以推廣。而水力驅動帶狀噴灌機比較經濟，能夠適應干旱的山地或丘陵地帶進行補水，節(jié)水性能好。由于它是一個新事物，可能存在許多問題，必須對新型水力驅動帶狀噴灌機進行改進。因此首先要進行水力驅動帶狀噴灌機動力配置方案分析研究。2 水力驅動帶狀噴灌機及其動力部分的研究綜合考慮各種因素，針對干旱地區(qū)缺水情況,研制開發(fā)了水力驅動帶狀噴灌機，更好地解決我國缺水的農業(yè)耕作環(huán)境與水分大量節(jié)約相適應，更加適合中國特色的個體小范圍農業(yè)的需求。但要使水力驅動帶狀噴灌機正常的發(fā)揮其功能，首先要考慮的就是動力部分的設計和匹配問題。沒有動力就談不上噴灌，因此，這是非常必要首先研山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)論文- 7 -究的問題。2.1 水力驅動帶狀噴灌機的產生及其所具有的優(yōu)勢噴灌適宜于各種情況下的土地，不要求地面平整?？捎糜诘匦螐碗s、土壤透水性大等地面灌溉有困難的地方。噴灌比地面灌溉可節(jié)省水 30%～50%，但噴灌要求有一定的機械設備和動力，投資較大，技術也較復雜。微灌可根據作物情況進行全部或局部濕潤灌溉，局部灌溉只濕潤作物附近的一部分土壤，它比噴灌更省水。還有目前發(fā)明的新灌溉技術，如低壓管道灌溉、節(jié)水型地面灌溉等等。水力驅動帶狀噴灌系統(tǒng)是針對我國農業(yè)生產的現狀，對于一些缺電，少水能源不足的農業(yè)發(fā)展地區(qū)采用的一種符合現在農民生產方式的一種先進的生產工具，對我國水資源的保護，和我國節(jié)水灌溉政策的推進和發(fā)展將會發(fā)揮巨大的推動作用。該系統(tǒng)充分利用農村大量保有的拖拉機或農用三輪車作為動力，配套賦予一定技術含量的簡單廉價噴農藥機具，綜合噴灌、噴農藥、施肥等多種功能，在作物播種前施行人造底墑、作物苗期和關鍵生長期進行局部灌溉的有中國特色的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。對于我國不同的地區(qū)，采用不同的方式，比如在一些基礎設施較好，便于用電的地區(qū)就采用電機作為動力的噴灌系統(tǒng)，對于基礎設施比較落后的地區(qū)，比如西部地區(qū)，電力設施不發(fā)達，田間地頭用電不方便，就采用柴油機作為動力，對于一些農戶有其他噴灌設施的，也可以換接噴頭使用我們的產品，達到了通用性，適用性，和靈活性的結合。水力驅動帶狀噴灌系統(tǒng)具有投資及運行費用低、適應能力強、噴灌均勻度高、結構簡單、操作維護方便等特點，符合我國當前的農村經濟體制和農業(yè)經營規(guī)模，在抵御干旱威脅、提高水資源的利用率和土地產出率、增加農民收入等方面，能夠發(fā)揮巨大的作用，具有可觀的經濟、社會和生態(tài)效益。2.2 水力驅動帶狀噴灌機動力組成元件水力驅動帶狀噴灌機動力組成元件較為簡單，總的來說，采用由電動機或者柴油機（汽油機）通過帶傳動來實現柱塞泵運動，達到吸水與噴水要求的兩種模式。 （如圖1 和圖 2 所示）蘇亞冰: 水力驅動帶狀噴灌機動力配置方案分析研究- 8 -電 動 機 柱 塞 泵圖 1 電動機與柱塞泵的匹配示意圖柴 油 機 柱 塞 泵圖 2 柴油機與柱塞泵的匹配示意圖2.3 水力驅動帶狀噴灌機動力組成元件之間的匹配問題要實現整個噴水灌溉過程，必須使電動機或柴油機等動力設備在不超過負荷的情況下帶動柱塞泵進行工作。這就要求動力設施的額定功率、轉速要與柱塞泵的功率、轉速之間有適當的配合。一般來說，動力設備的功率只有大于柱塞泵的功率時才能實現其正常工作。相反，如果柱塞泵轉動需要的功率大于輸入功率時，則出現不能正常工作或者根本帶不動其隨之運動的情況。更有甚者將燒壞電動機等動力設備。由此可見，首先要選擇好合適的電動機（柴油機）與柱塞泵。二者的運動情況是，電動機（柴油機）的轉速一般較高，當動力傳到柱塞泵的時候常要降低轉速，所以我們可以直接看出動力設備的輪徑小于泵的輸入輪徑。中間一般通過皮帶進行連接。帶傳動是使用最多的撓性傳動，它的種類很多，包括 V 帶、平帶、同步帶等。用于兩軸之間距離較大，轉速較高的場合。帶傳動工作平穩(wěn)、結構簡單、加工方便，但傳動有一定的誤差，不適宜要求傳動比精確的工作，這點我們這里可以忽略。在進行帶傳動的結構設計時應注意合理選擇其主要參數，帶輪受力比齒輪小，轉速較高，因而其輪緣和輪幅的形狀尺寸與齒輪不同。為了使傳動帶有較長的使用壽命，其表面應足夠光滑。但是傳動帶的壽命還是比較短的，在一般使用情況下，壽命只有幾個月，因此更換傳動帶應十分方便。為了加大帶輪包角，或保持初張力，使用張緊輪，張緊輪的位置、尺寸、直徑等也是帶傳動設計的一個重要問題。山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)論文- 9 -3 水力驅動帶狀噴灌機動力裝置的安裝配置方案水力驅動帶狀噴灌機動力方面的優(yōu)點之一就是其具有很強的靈活性和經濟性。靈活性在于動力裝置既可以在有電的情況下使用電動機作為動力源，也可以在缺電的情況下借助柴油（汽油）機來輸送動力。經濟性在于用于噴灌的動力設施在農村幾乎處處可見。對于農民來說，這種噴灌機械較為劃算，所以容易被接受和推廣。在整個水力驅動帶狀噴灌機的設計過程中，有大量的試驗過程，也針對不同的情況做了大量的試驗。為了方便，在實驗室使用的是電動機；對于農村使用，一般常為拖拉機或農用三輪車上的柴油機。無論選用什么動力源，均要使柱塞泵達到一定的壓力后才能正常的噴水。這個壓力不是隨便選定的，是通過對不同泵的分析及大量試驗確定下來的。如果噴水壓力過小，會造成噴水距離短且沖擊力小，不容易使噴頭附近的葉輪轉動；如果壓力過大，又會出現噴出的水霧化嚴重，這不僅消耗了過多動力，在一些干旱多風地區(qū)，直接影響了噴灌效果，所以更行不通。為此，針對動力源的不同，可有多種不同的安裝方案，詳細如下。3.1 電動機與柱塞泵的匹配問題這種方案在用電條件方便的情況下多用，也是我們實際試驗的方案，如圖 3 所示。電 動 機壓 縮 機 為 進 水 管2為 噴 水 管3為 回 水 管4為 皮 帶1—進水管 2—噴水管 3—回水管 4—皮帶圖 3 電動機與柱塞泵的匹配蘇亞冰: 水力驅動帶狀噴灌機動力配置方案分析研究- 10 -由圖 3 可見，電動機與柱塞泵的相對位置。具體方案和運轉效率如下。3.1.1 所選電動機與柱塞泵的參數表 1 3WZB—40 三缸柱塞泵噴霧 送水800 回轉數 RPM 120028~30 吸水量 L/MIN 40~4515~35 工作壓力 102~3 所需功率 HP 1.5~2表 2 三相異步電動機3.1.2 計算選定已知： =115mm =230mm =2880r/vminD電 動 機 D泵 n電 動 機其中： —電動機動力輸出輪的直徑電 動 機—柱塞泵動力輸入輪的直徑泵—電動機的動力輸入輪的轉速n電 動 機（1）狀態(tài)判定由角速度和轉速的公式：=2 ?。?） ?n?電動機動力輸入輪的角速度為：型號 Y100L—2接法 Y額定轉速 2880r/min額定電壓 380V額定功率 3KW山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)論文- 11 -= =301.44（rad/s）2n???電 動 機 電 動 機 2803.146?電動機動力輸入輪的線速度為：3301.44 =17.333（m/s）VR電 動 機 電 動 機 電 動 機 52?31?由于電動機和柱塞泵之間是靠皮帶進行連接與傳動的，可知 =V電 動 機 柱 塞 泵則：柱塞泵動力輸入輪的角速度為：= = =150.72（rad/s）?柱 塞 泵 VR電 動 機柱 塞 泵 317.50??柱塞泵動力輸入輪的轉速為：= = =24.00（r/s）n柱 塞 泵 2?柱 塞 泵 1.734?即 =1400 r/min柱 塞 泵由表 1 可判定，在此情況下，柱塞泵為送水狀態(tài)，符合要求。（2）效率計算通過大量試驗，我們試驗了多組數據，包括壓力和噴孔直徑等等。發(fā)現當壓力過大或者過小的時候，要不水柱的霧化現象嚴重，要不就是噴水的距離過近，都不能高質量的實現整個噴灌過程。噴頭噴孔直徑的大小也是如此。最終確定了一個合適的值，即：當正常工作下噴水壓力為 0.4MPa，噴孔直徑為 2.8mm 時，噴灌機工作的的質量最高。所以下面的計算均圍繞這個壓力展開。表 3 就不同噴孔的大小，對流量做了較為具體的統(tǒng)計。表 3 不同噴孔直徑下的流量噴孔直徑 （mm ）?流量 3/min?（ ）1.5 3.8?102 4.8 3?2.5 5.7蘇亞冰: 水力驅動帶狀噴灌機動力配置方案分析研究- 12 -2.8 6.0 ?310?3 6.33.5 7.1 310?由流體力學知識可知，流體的功率等于其壓力與流量的乘積。即：PQ??功 率 壓 力（2）其中： —柱塞泵的有用功率P功 率—柱塞泵正常噴水時達到的壓力值壓 力Q—通過柱塞泵正常噴水時所通過水流的流量計算時安兩噴頭的情況來定：當 =1.5mm 時，柱塞泵的有用功率為：?= 0.4 2 = 50.6（W） P??功 率 壓 力 ?6103.83??由上可知柱塞泵的總功率為 1.5 馬力為 1102.5 瓦所以根據效率計算公式：100% （3）P??功 率總 ?式中 ： —柱塞泵的噴水效率?—柱塞泵的總功率P總—柱塞泵的有用功率功 率即： 100% = 100%= 9.0%P??功 率總 ?25.3410?當 =2mm 時，柱塞泵的有用功率為：?=0.4 =64（W ）Q??功 率 壓 力 ?64.83031?山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)論文- 13 -所以效率為： 100%= 100%= 11.6 %P??功 率總 ?64210.5?當 =2.5mm 時，柱塞泵的有用功率為：?=0.4 =76（W） PQ??功 率 壓 力 ?6.73031?所以效率為： 100%= 100%= 13.6%?功 率總 21.5當 =2.8mm 時，柱塞泵的有用功率為：?=0.4 = 80（W）PQ??功 率 壓 力 ?60331?所以效率為： 100%= 100%= 14.4 %?功 率總 821.5當 =3mm 時， 柱塞泵的有用功率為：?=0.4 = 84（W）PQ??功 率 壓 力 ?60.3?310?所以效率為： 100%= 100%= 15.2%?功 率總 842.5當 =3.5mm 時，柱塞泵的有用功率為：?=0.4 = 94.6（W）PQ??功 率 壓 力 ?6107.33?所以效率為： 100%= 100%= 17.2%?功 率總 94.25上述即為不同噴孔直徑下的各種效率。從結果可以看出，流量的大小在壓力一定的情況下直接影響著效率的數值，所以從提高效率的角度來看，噴孔的直徑不能做的過于小。而且，適當的減少回水的大小可以提高柱塞泵的有用功率。從本試驗可以得出，如果在允許的條件下接更多的噴頭可以更大的節(jié)省動力，從而提高工作效率。經過反復試驗得知，當噴孔直徑為 2.8mm 時，噴水的質量最高。如果按要求將泵的工作效率定在60%，則可以接 8 個噴頭來滿足使用要求。3.2 柴油機與柱塞泵的匹配方案蘇亞冰: 水力驅動帶狀噴灌機動力配置方案分析研究- 14 -在農村，拖拉機、農用三輪車的使用較為廣泛。因此，利用這些機械上的柴油機與柱塞泵相匹配的動力方案受到了農民的普遍接受。同時也由于農用動力機械種類繁多，所以針對不同的情況有多種分析和設計方法。3.2.1 拖拉機上的柴油機與柱塞泵的匹配方案研究拖拉機上的柴油機與柱塞泵的匹配方案具有突出的意義。因為其馬力大，價格便宜，即具有性價比高的絕對優(yōu)勢，廣泛運用于農村及山區(qū)丘陵地帶。所以很有必要作為重點來分析。為了更好的說明匹配方案，分別對兩種拖拉機進行分析和比較，具體如下：3.2.1.1 與手扶拖拉機的匹配方案在手扶拖拉機的機體上方焊一鐵架，當使用時，將用于匹配的柱塞泵置于其中，并用螺釘進行緊固，然后再用皮帶進行連接即可。如圖 41—柱塞泵 2—傳動帶 3—柴油機圖 4 手扶拖拉機與柱塞泵的匹配示意圖（1）所選柴油機與柱塞泵的參數確定。如表 4 和表 5（2）選擇計算由于水力驅動帶狀噴灌機多用于噴所謂的“救命水” ，故選動力為 1 小時的情況較為合理。具體數據： =90mm， =180mm， =3000 轉/ 分D柴 油 機 柱 塞 泵 n柴 油 機其中： —柴油機動力輸出輪的直徑柴 油 機—柱塞泵動力輸入輪的直徑柱 塞 泵—柴油機動力輸出輪的轉速n柴 油 機山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)論文- 15 -表 4 3WZB—25B 型三缸柱塞泵出水量（L/min） 壓力（ ）3/kgcm噴霧 送水 噴霧 送水轉速/分 吸水量/分 轉速/分 吸水量/分 最高 最低800 14 1400 25 35 21 10① 狀態(tài)確定表 5 柴油機參數 情況 功率（千瓦） 轉速（轉/分）1 小時 3.82（ 5.2 馬力） 3000 12 小時 3.46（ 4.7 馬力） 3000 柴油機動力輸出輪的角速度為：=2 =2 3.14 =314（rad/s）?柴 油 機 ?n柴 油 機 ?306由線速度和角速度的公式= V柴 油 機 ?柴 油 機 ?R柴 油 機（4）其中： —柴油機的動力輸出輪線速度V柴 油 機—柴油機的動力輸出輪角速度?柴 油 機—柴油機的動力輸出輪半徑R柴 油 機故： 柴油機動力輸出輪的線速度為：= =314 45 =14.13（m/s）V柴 油 機 柴 油 機 ?柴 油 機 ?310?其中 = ，則：柴 油 機 柱 塞 泵柱塞泵動力輸入輪的角速度為：= = =157（rad/s）?柱 塞 泵 VR柱 塞 泵柱 塞 泵 314.90??蘇亞冰: 水力驅動帶狀噴灌機動力配置方案分析研究- 16 -柱塞泵動力輸入輪的轉速為：= = =25（r/s）n柱 塞 泵 2??柱 塞 泵 1573.4?即柱塞泵的動力輸入輪的轉速為 25 60=1500 轉/分，由此可見，泵的狀態(tài)為送水，?符合要求。② 柴油機功率計算要達到合理灌溉，發(fā)揮水力驅動帶狀噴灌機的最佳功用，要求在 0.4MPa 的壓力下工作，使水噴射到 7.5~9m 的地方，設定了整個過程的效率為 40%，包括帶傳動和柴油機本身的效率在內，同時也包括柱塞泵的工作效率。一般來說柴油機的效率為 0.70~0.92 之間，在這里，為了計算方便選 =0.80。帶1?傳動的效率見表 3.6。表 6 帶的傳動效率帶的種類 傳動效率平帶 94%~98%有張緊輪的平帶 90%~95%繩芯結構帶 92%~96%窄 V 帶 90%~95%多楔帶 92%~97%同步帶 93%~98%我們所選的傳動帶為窄 V 帶，選其效率為 =95%進行計算。我們假設整個噴灌過2?程的總效率為 40%。通過大量的試驗可以發(fā)現，在上述條件都確定的情況下，噴頭噴孔直徑 =2.8mm 時，噴水的效果最好。流量見表 3?= =0.4 6.0 =2400（W）P有 用 功 壓 力 Q流 量 ?610?= = =6000（W ）輸 入 功 率 ?有 用 功總 24.根據公式 ： 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)論文- 17 -（5）12P??輸 入 功 率輸 出 功 率式中： ——傳到柱塞泵上的實際功率P輸 入 功 率——拖拉機柴油機能輸出的最大功率輸 出 功 率——拖拉機柴油機的傳遞效率1?——所選帶的傳動效率2得出： = =7.89（KW）12P??輸 入 功 率輸 出 功 率 60.895?說明只要將拖拉機的功率定在 7.89KW 即可。對于其他幾種噴孔大小的功率計算：當 =1.5mm，流量 Q=3.8 時，??310?m= =0.4 3.8 =1520（W）P有 用 功 壓 力 Q流 量 6?310?= = =3800（W ）輸 入 功 率 ?有 用 功總 520.4= =5.0（KW）12P?輸 入 功 率輸 出 功 率 38.95?說明只要將拖拉機的功率定在 5KW 即可。當 =2mm，流量 Q=4.8 時，?30?m= =0.4 4.8 =1920（W）P有 用 功 壓 力 Q流 量 ?6130?= = =4800（W ）輸 入 功 率 ?有 用 功總 920.4= =6.315（KW ）12P?輸 入 功 率輸 出 功 率 8.95?說明只要將拖拉機的功率定在 6.315KW 即可。當 =2.5mm，流量 Q=5.7 時，?30?m= =0.4 5.7 =2280（W）P有 用 功 壓 力 Q流 量 ?6130?蘇亞冰: 水力驅動帶狀噴灌機動力配置方案分析研究- 18 -= = =5700（W ）P輸 入 功 率 ?有 用 功總 280.4= =7.5（KW） 12?輸 入 功 率輸 出 功 率 570.89?說明只要將拖拉機的功率定在 7.5KW 即可。當 =2.5mm，流量 Q=6.3 時，?3?m= ==0.4 6.3 =2520（W）P有 用 功 壓 力 Q流 量 ?6103?= = =6300（W ）輸 入 功 率 ?有 用 功總 25.4= =8.29（KW） 12P?輸 入 功 率輸 出 功 率 630.895?說明只要將拖拉機的功率定在 8.29KW 即可。當 =3.5mm，流量 Q=6.2 時，?40?3m= =0.4 7.1 =2840（W）P有 用 功 壓 力 Q流 量 ?6130?= = =7100（W ）輸 入 功 率 ?有 用 功總 2840.= =9.34（KW）12P?輸 入 功 率輸 出 功 率 7.895?說明只要將拖拉機的功率定在 9.34KW 即可。3.2.1.2 與普通小四輪拖拉機的匹配普通小四輪拖拉機也是農村較為廣泛的弄用機械，所以對它與柱塞泵相匹配的設計也具有積極作用。由于通過大量的試驗證明，噴孔直徑大小為 2.8mm 和所選的壓力為 0.4MPa 時噴水的質量最高，故只需推出在此情況下正常工作拖拉機所需功率即可。具體的設計方案為：在小四輪拖拉機的機體前段焊一鐵架，將柱塞泵固定于其上，然后通過皮帶將泵的動力輸入輪與拖拉機的動力輸出輪相連接。這樣便實現了用拖拉機上的柴油機帶動柱塞泵運轉。如圖 5 所示：山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)論文- 19 -2131—柱塞泵 2—皮帶 3—拖拉機動力輸出輪圖 5 普通小四輪拖拉機與柱塞泵匹配方案示意圖由于壓力和噴頭噴孔直徑已經選定，在相同情況下拖拉機的需求功率也為一定。計算過程與 3.2.1.1 中的手扶拖拉機大同小異。3.2.2 農用三輪車與柱塞泵的匹配方案農用三輪車是近幾十年來發(fā)展起來的農用工具之一。它的優(yōu)點不僅在于它的馬力大，而且可用于農田作業(yè)的各個方面，更具備了良好的公路運輸能力，漸漸成為了農村及小鄉(xiāng)鎮(zhèn)的主要運輸工具。作為新型農業(yè)與運輸工具的農用三輪車也具備與柱塞泵相匹配的設計方案。具體方法為：在農用三輪車的駕駛艙內，在駕駛員的右手邊地面上用螺釘固定一個鐵制軌道，然后將柱塞泵安裝在軌道上，兩者同樣通過皮帶進行連接。① 所選電動機與柱塞泵的參數表 7 3WZB—40 三缸柱塞泵表 8 柴油機參數 情況 功率 轉速1 小時 5.2 千瓦 3200 轉/分噴霧 送水800 回轉數 RPM 120028~30 吸水量 L/MIN 40~4515~35 工作壓力 102~3 所需功率 HP 1.5~2蘇亞冰: 水力驅動帶狀噴灌機動力配置方案分析研究- 20 -12 小時 4.98 千瓦 3200 轉/分① 相關計算配置如圖 6 所示： 柱 塞 泵柴 油 機圖 6 三輪車與柱塞泵的匹配方案示意圖從試驗得出達到合理灌溉，要求在 0.4MPa 的壓力下工作，使水噴射到 7.5～9m 的地方，對于傳遞性能較好的農用三輪車，不妨設定了整個過程的效率為 75%，包括帶傳動和柴油機本身的效率在內，同時也包括柱塞泵的工作效率。一般來說農用三輪車上柴油機的效率為 0.70～0.92 之間，在這里為了計算方便選 =0.80。其中帶傳動的效1?率見表 6。所選的傳動帶為窄 V 帶，選其效率為 =95%進行計算。我們假設整個噴灌過程的2?總效率為 40%。通過大量的試驗可以發(fā)現，在上述條件都確定的情況下，噴頭噴孔直徑=2.8mm 時，噴水的效果最好。流量見表 3?= =0.4 6.0 =2400（W）P有 用 功 壓 力 Q流 量 ?610?山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)論文- 21 -= = =3200（W ）P輸 入 功 率 ?有 用 功總 240.75故： （6）12P??輸 入 功 率輸 出 功 率式中： ——傳到柱塞泵上的實際功率P輸 入 功 率——農用三輪車上柴油機能輸出的最大功率輸 出 功 率——農用三輪車上柴油機的傳遞效率1?——所選帶的傳動效率2即： = =4.21（KW）12P??輸 入 功 率輸 出 功 率 30.895?說明只要將拖拉機的功率定在 4.21KW 即可。同樣對于其他幾種噴孔大小的計算如下：當 =1.5mm，流量 Q=3.8 時，??310?m= =0.4 3.8 =1520（W）P有 用 功 壓 力 Q流 量 6?310?= = =2026.7（W ）輸 入 功 率 ?有 用 功總 520.7= =2.67（KW）12P?輸 入 功 率輸 出 功 率 6.895?說明只要將拖拉機的功率定在 2.67KW 即可。當 =2mm，流量 Q=4.8 時，?30?m= =0.4 4.8 =1920（W）P有 用 功 壓 力 Q流 量 ?6130?= = =2560（W ）輸 入 功 率 ?有 用 功總 920.75= =3.37（KW）12P?輸 入 功 率輸 出 功 率 6.89?說明只要將拖拉機的功率定在 3.37KW 即可。蘇亞冰: 水力驅動帶狀噴灌機動力配置方案分析研究- 22 -當 =2.5mm，流量 Q=5.7 時，??310?m= =0.4 5.7 =2280（W）P有 用 功 壓 力 Q流 量 6?310?= = =3040（W ）輸 入 功 率 ?有 用 功總 280.75= =4（KW） 12P?輸 入 功 率輸 出 功 率 34.89?說明只要將拖拉機的功率定在 4KW 即可。當 =2.5mm，流量 Q=6.3 時，?30?m= ==0.4 6.3 =2520（W）P有 用 功 壓 力 Q流 量 ?6130?= = =3360（W ）輸 入 功 率 ?有 用 功總 250.7= =4.42（KW） 12P?輸 入 功 率輸 出 功 率 36.895?說明只要將拖拉機的功率定在 4.42KW 即可。當 =3.5mm，流量 Q=6.2 時，?40?3m= =0.4 7.1 =2840（W）P有 用 功 壓 力 Q流 量 ?6130?= = =3786.7（W ）輸 入 功 率 ?有 用 功總 2840.75= =4.98（KW）12P?輸 入 功 率輸 出 功 率 36.89?說明只要將拖拉機的功率定在 4.98KW 即可。3.3 結果與討論：經過反復的試驗，最終確定了當噴孔直徑為 2.8mm，柱塞泵噴水壓力為 0.4MPa 時，水力驅動帶狀噴灌機的作業(yè)質量最高。對此，動力方案的匹配為體大致可以分為兩類情況：（1）由于油的成本高，所以在有電的情況下盡量使用電動機，這樣可以提高經濟山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)論文- 23 -性。（2）對于缺電地區(qū)，可利用拖拉機或農用三輪車上的柴油機器與柱塞泵相匹配的方案，但要注意合理擺放與安裝。（3）無論是用電動機還是柴油機，都要盡量選擇傳遞效率高的，這樣可以大大節(jié)省能源，提高工作質量。（4）由于噴孔直徑較小，而通過柱塞泵抽取的水量又較大，致使大部分水分作為回水，也就是很多能量被無用消耗掉，所以選擇噴孔在保證噴水質量的情況下，應盡量做大些，這樣可以提高利用的效率。（5）對于帶傳動要注意的問題：如果帶輪兩軸平行，而一個在上一個在下。則布置兩位置和輪的轉向時應注意，松邊的垂度較大，應使松邊處于傳送帶產生垂度時，有利于增大小輪包角的位置。此外，由于傳送帶本身重量下垂，使下面的輪與帶間摩檫力減小，小輪包角小，容易打滑，不應在下。帶傳動的尺寸誤差大，而且在工作中它的長度不斷增加（被拉長） 。為了保持一定的初拉力，實現帶與輪之間的摩擦傳動，帶輪的中心距應該可以調整或配置張緊輪。當帶輪兩軸不平行或兩輪中心平面不共面時誤差也較大，傳動帶有可能送帶輪上脫落下來，因此在具體操作中要注意，盡可能將二者共面以達到最好的要求。蘇亞冰: 水力驅動帶狀噴灌機動力配置方案分析研究- 24 -結 論本文通過對水力驅動帶狀噴灌機動力配置的分析，進行了大量試驗和調查研究，最終得出了兩種動力匹配方案：針對電力較充足的地區(qū)，可利用電動機與柱塞泵相匹配的方案。任何情況下，都可利用農用機械上的柴油機與柱塞泵相匹配的方案。在農村，很多家庭都具有拖拉機、農用三輪車、泵和用于噴灑農藥或澆水的管道，所以這種動力方案容易被農民接受。這個產品的開發(fā)符合中國國情，更能夠適應具有中國特色的農經濟的高速發(fā)展，有很強的經濟和實用性。在實際噴灌過程中，使用者多以農民為主，故動力選擇應以拖拉機或農用三輪車上的柴油機與柱塞泵相匹配的方案。通過幾種柴油機與柱塞泵匹配方案的反復對比與校驗，將柱塞泵置于柴油機機體上的方案較為合理，因為這樣不僅在滿足功率等自身要求的同時，更加節(jié)省了空間，所以視為較理想方案。水力驅動帶狀噴灌機在經濟實用的方面都有著積極的意義，可見它的發(fā)明非常適合有中國特色小農戶農業(yè)使用和推廣。山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè)論文- 25 -參考文獻[1] 許迪，李益農.田間節(jié)水灌溉新技術研究與應用[M].北京：中國農業(yè)出版社，2002[2] 姚振憲，何松林.滴灌設備與滴灌系統(tǒng)規(guī)劃設計[M]. 北京：中國農業(yè)出版社，1999[3]任致程.農用水泵的使用與維護[M].北京：人民郵電大學出版社，2001.[4]吳春駑，陳紅勛，陳匯龍. 農用水泵的使用維護[M].南京：東南大學出版社，1997[5]水利部農村水利司.噴灌與微灌設備[M].北京：中國水利水電出版社，1998[6]李玉蓮，賀軍釗.節(jié)水農業(yè)工程技術[M].河南：河南科學技術出版社，2000[7]馮廣龍，李發(fā)東，張秋英.抗旱耕作及節(jié)水灌溉技術[M].秦皇島：中國標準出版社，2000[8]李昌龍.管道輸水工程技術[M]. 北京：中國水利水電出版社，1998[9]嚴潯世，趙洪賓.給水管網理論和計算[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1979[10] 成大仙.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.[11]沈陽市政協(xié)經濟委員會.節(jié)水農業(yè)[M].沈陽：沈陽出版社，2001[12] 吳宗澤，肖麗英主編. 機械設計學習指南[M]. 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